何曉濤 肖龍飛

廣州港集團有限公司

1 引言

某散貨港目前有煤礦堆場25個,多數(shù)為露天堆場,各堆場之間被斗輪機機壩隔開,成條帶狀分布,通常用堆場號和機壩上的米數(shù)牌進行貨堆位置標識。而對貨物進行盤點,除了每天核實煤礦輸入、輸出記錄外,主要根據(jù)堆場寬度、貨堆所占米數(shù)、貨堆高度進行經(jīng)驗式體積估算,再根據(jù)煤礦密度推算重量,工作量大、精度低、效率差。如果出現(xiàn)貨運質(zhì)量糾紛,只能通過視頻回放進行貨物保管過程倒查,存在嚴重滯后性。

近年來,無人機傾斜攝影測繪技術在工程土方量測算、地形勘測等領域得到應用,相比全站儀、地面三維激光掃描等技術,具有節(jié)省人力、機動性強、效率高、精度高的特點[1-2]。無人機傾斜攝影測繪技術主要是通過無人機搭載傾斜攝影測繪相機,在飛行過程中以一定角度向地面拍攝照片,運用繪圖軟件對這些照片進行處理和配準,進而建立三維數(shù)字實景圖像的技術。繪圖軟件在進行實景建模的同時可建立地物的數(shù)字高程模型,準確地進行地面物體坐標、距離、體積等數(shù)據(jù)的測量和計算,總體積V計算公式為[3]:

(1)

式中,V為地物總體積,m3;S為單位格網(wǎng)面積,m2;Hi為格網(wǎng)高程,m;hi為地面基礎高程,m;i為每個單位格網(wǎng)序號。

為了滿足貨物盤點需求,實現(xiàn)堆場信息化、可視化、數(shù)字化管理,建立了一種利用無人機傾斜攝影測繪技術和孿生港口散貨堆場實景技術的散貨碼頭貨物盤點方案,實現(xiàn)港口煤礦散貨堆場資產(chǎn)真實情況的實時記錄。

2 無人機傾斜攝影測繪技術方案

2.1 軟硬件選型

本項目中,使用大疆M300RTK飛行器,其具有定位高精度、飛行穩(wěn)定、低噪聲等特點,適用于各種復雜環(huán)境。使用禪思P1測繪相機,其具備高清晰度、高色彩還原度、快速成像等特點,適用于快速建立3D實景模型和數(shù)字高程模型。使用大疆智圖TERRA軟件,可以實現(xiàn)高效計算和處理高空傾斜攝影數(shù)據(jù),提升建模精度和效率。通過數(shù)字高程模型技術和軟件體積測量功能,實現(xiàn)對堆場散裝物料的高精度測量和計算,提高庫存管理的效率和精度。

為實現(xiàn)無人機自主飛行航拍,為無人機建立了無人值守機巢,可實現(xiàn)無人機自主飛行航線規(guī)劃、航拍任務下發(fā)、航拍數(shù)據(jù)自動上傳、無人機自動充電等功能。

2.2 應用方案

本方案通過貨堆航拍建模、方塊化,匯入軟件建立3D實景地圖,快速匹配各貨堆信息,孿生堆場整體信息,可為堆場管理者和客戶提供貨物貨堆實景,實現(xiàn)云管理。

2.2.1 條帶狀堆場邊界測繪與數(shù)字堆場基礎建立

本項目堆場呈條帶狀分布,可利用這一特征建立數(shù)字堆場的基礎。利用無人機傾斜攝影技術,可繪制出堆場二維全景地圖。首先,應用RTK(Real-time kinematic,實時動態(tài))設備定位堆場0 m線位置,建立堆場堆位刻度尺,為堆場匹配刻度線,方便對貨堆進行位置確認;其次,在電子地圖上人工繪制出各堆場邊界,為堆場高程計算提供邊界基礎。以01-06位堆場邊界圖和堆場刻度線為例進行應用說明(見圖1)。

圖1 01-06位堆場邊界圖和堆場刻度線

在此過程中,通過二維全景地圖量取各堆場的長寬數(shù)據(jù),與實地用全站儀測量的尺寸做對比,差距皆在0.05 m以內(nèi),精度滿足對散貨堆場貨堆體積測量的要求。

2.2.2 堆場貨堆航拍測繪及建模

為了獲得高質(zhì)量的航攝影像,保證更高的建模精度,先進行航線規(guī)劃。在晴好天氣條件下,飛行高度180 m,照片數(shù)量約1 200張,地面采樣精度為2.26 cm/pixel,地面傾斜采樣精度為2.41 cm/pixel,建模面積624 194.1 m2,旁向重疊率55%,航向重疊率65%,飛行時長25 min。

航拍任務完成后,無人機自主回到無人值守機巢進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)將航拍圖片自主導入軟件對貨物堆場進行整體建模,在國家2 000地理坐標系上,處理生成料堆數(shù)字高程模型(見圖2),并繪制高精度三維實景地圖。利用實景地圖,管理人員便可了解貨物堆場的真實情況,進而更好地進行貨物的布放調(diào)配和盤點。通過數(shù)字高程模型系統(tǒng)可計算出貨堆建模體積,進而根據(jù)物料堆存密度,推算出貨堆質(zhì)量。

圖2 料堆DEM數(shù)字高程模型

為了驗證體積測量精度,項目組利用該港口1號斗輪機上已經(jīng)搭載的高速高性能3D激光掃描儀測量周邊2個堆場的料堆體積,并根據(jù)料堆實際重量推算出01和02堆位貨堆的體積值。通過測量數(shù)據(jù)對比,無人機傾斜攝影測繪技術得到的體積差值在120 m3內(nèi),差值率在0.25%以下,體積測量精度達到生產(chǎn)要求(見表1)。

表1 體積測量對比表

2.2.3 與貨堆信息自主匹配

在建模之初,堆場管理員通過電子表格,建立堆場每個貨堆的初始數(shù)據(jù)臺賬,如所在堆場號、起始米數(shù)、結(jié)束米數(shù)、貨源信息、貨物體積、貨物重量等信息。系統(tǒng)通過導入表格數(shù)據(jù),自主索引和匹配貨堆初始數(shù)據(jù),并在相應貨堆插旗標識。當完成一次航拍建模后,系統(tǒng)將自動更新貨堆體積、重量數(shù)據(jù),為堆場管理提供數(shù)據(jù)支持。以01位和02位堆場為例,系統(tǒng)可根據(jù)表2貨堆信息數(shù)據(jù),自動為堆場匹配數(shù)據(jù),繪制堆場貨堆信息圖(見圖3)。

表2 01位和02位堆場貨堆信息數(shù)據(jù)表

圖3 01位和02位堆場貨堆信息圖

3 結(jié)語

無人機傾斜攝影測繪技術能夠快速完成大面積露天堆場的全方位航拍,實現(xiàn)實景3D建模、精確體積測量、貨堆信息化功能;孿生的散貨數(shù)字堆場能夠彌補傳統(tǒng)人工盤點貨物資產(chǎn)的諸多缺陷,滿足客戶和堆場管理人員對貨物的管理需要,推動散貨港口的高質(zhì)量管理。其方案設計可推廣至大型散貨露天港口堆場。